足踝部關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量新方法的建立及其初步應(yīng)用研究.pdf

1、研究背景:
　　 由于交通傷、機器傷等各種原因?qū)е碌淖沲撞抗钦鄣脑龆嘁约叭藗儗τ谧沲捉】档娜找嬷匾?，現(xiàn)代足病學(xué)得到飛速發(fā)展。隨著平足癥、脛后肌腱功能不全、退行性關(guān)節(jié)炎、足部畸形、創(chuàng)傷性及創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)炎等常見足病的治療理念由非手術(shù)治療轉(zhuǎn)向手術(shù)治療，各種新的治療策略和手術(shù)方式紛紛涌現(xiàn)。但由于不正確的手術(shù)處理以及現(xiàn)有治療方式的局限性等原因，均有可能造成踝關(guān)節(jié)力線改變、后足增寬、足弓消失以及內(nèi)外翻等多種畸形，由此導(dǎo)致足踝部疼痛、功能及行走

2、障礙等亦呈明顯增加趨勢。這迫切要求能夠?qū)φＷ愫筒∽愕年P(guān)節(jié)運動進行在體測量，以便了解足踝各關(guān)節(jié)在正常和病理狀態(tài)下的運動特點，為深入理解足踝部疾病的發(fā)病機制、制定正確的治療計劃、準(zhǔn)確評估手術(shù)效果提供指導(dǎo)。但現(xiàn)今足踝運動學(xué)研究面臨2個重大難題阻礙了其進一步發(fā)展。首先，早期足踝運動學(xué)研究多以尸體標(biāo)本的足踝運動作為研究對象，這些研究提供了對足踝運動學(xué)的最早期認(rèn)識和了解，但是尸體標(biāo)本由于喪失了肌肉、肌腱等軟組織的生理活性和重要的血管灌注、神經(jīng)支配

3、，不能滿足臨床對于活體生理狀態(tài)下的足踝運動學(xué)研究。盡管隨著足踝運動學(xué)研究的深入和臨床足病學(xué)的發(fā)展，對活體生理狀態(tài)下的足踝運動學(xué)研究涌現(xiàn)出各種新的研究方法，其中以感應(yīng)器示蹤標(biāo)記、紅外線攝影撲捉技術(shù)和三維運動分析系統(tǒng)應(yīng)用最多，但這些對活體生理狀態(tài)下的足踝運動學(xué)研究大都具有侵入性，難以被受試者接受。其次，現(xiàn)代足病學(xué)的飛速發(fā)展，使得足部運動學(xué)的研究內(nèi)容已不再僅限于對足部運動進行大體的二維模式研究，而是轉(zhuǎn)向更為精細(xì)的骨與關(guān)節(jié)的三維運動模式。但由于

4、足踝構(gòu)成骨均小而不規(guī)則，其骨間關(guān)節(jié)運動大多是微動的、三維方向的復(fù)合運動，因此準(zhǔn)確測量和描述足踝內(nèi)部各關(guān)節(jié)在體三維運動一直是足踝運動學(xué)研究方面的難點。隨著影像診斷技術(shù)的進步和計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，通過足踝CT或MRI影像的3D重建對活體足進行在體三維運動測量成為可能。建立一種精確、非侵入性、操作簡單、具有臨床推廣價值的新的足踝在體三維運動測量方法，可以廣泛收集正常足和病足的運動學(xué)資料，分析其運動特點，有助于研發(fā)新器械、新技術(shù)、新方法;通過

5、對比分析術(shù)前、術(shù)后足踝關(guān)節(jié)最大運動能力，可以評估手術(shù)療效，優(yōu)化手術(shù)方式。本研究通過MIMICS軟件和GEOMAGIC軟件，結(jié)合剛體運動學(xué)原理，嘗試建立一種足踝部關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量新方法，通過這種方法對后足內(nèi)在關(guān)節(jié)的在體三維運動進行測量和分析;對內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)的運動變化與內(nèi)側(cè)縱弓變化的關(guān)系進行探討，為將來臨床進行病理性足踝關(guān)節(jié)的在體三維運動數(shù)字化測量和分析提供前期研究。
　　 研究目的:
　　 1.建立一種全

6、新的足踝關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量的技術(shù)方法;
　　 2.測量后足內(nèi)部關(guān)節(jié)在體三維運動，明確后足內(nèi)部各關(guān)節(jié)在體三維運動特點;
　　 3.探明內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)在體三維運動度變化及其對內(nèi)側(cè)縱弓變化的影響。
　　 研究方法:
　　 1.足踝部不同體位CT影像學(xué)數(shù)據(jù)采集
　　 足部運動過程是一個連續(xù)性過程，可以將足部這一連續(xù)性運動過程簡化為運動由靜態(tài)的初始體位運動至靜態(tài)的終末體位，將這2個靜態(tài)體位在三

7、維空間的六個自由度的變化來反映足部運動前后的運動變化。
　　 本研究將足由中立位進行最大內(nèi)翻內(nèi)收背伸運動簡化為初始體位（中立位）和終末體位（最大內(nèi)翻內(nèi)收背伸位）的運動變化，并采集這2個體位的靜態(tài)CT影像，CT掃描斷層數(shù)據(jù)以.DICOM格式儲存導(dǎo)出。
　　 2.足踝部骨與關(guān)節(jié)的數(shù)字化三維模型重建
　　 將采集的初始體位和終末體位的靜態(tài)CT影像導(dǎo)入MIMICS10.01軟件進行足踝部各構(gòu)成骨與關(guān)節(jié)的數(shù)字化三維模型重建

8、，將重建的骨與關(guān)節(jié)數(shù)字化模型以.STL格式保存。
　　 3.足踝部關(guān)節(jié)在體運動的數(shù)字化三維測量
　　 在GEOMAGIC10.0軟件中設(shè)立虛擬空間坐標(biāo)系，將不同體位的骨與關(guān)節(jié)的數(shù)字化三維模型導(dǎo)入GEOMAGIC10.0軟件中的虛擬空間坐標(biāo)系，根據(jù)剛體運動學(xué)原理，通過在GEOMAGIC10.0軟件進行2次配準(zhǔn)注冊后，可以通過GEOMAGIC10.0軟件自行計算并讀取出運動前、后足踝部關(guān)節(jié)在三維空間的6個自由度的變化數(shù)值。<

9、br>　　 4.統(tǒng)計學(xué)方法
　　 計量資料以(x)±s表示，選取檢驗水準(zhǔn)α=0.05，采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。
　　 脛距關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度(X1)、距下關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度(X2)與踝關(guān)節(jié)聯(lián)合體旋轉(zhuǎn)角度(Y)的關(guān)系采用多元線性回歸分析。
　　 后足關(guān)節(jié)繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)幅度、繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)幅度、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)幅度之間進行LSD多重比較。
　　 采用獨立樣本t檢驗對同一軸線上脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)幅度進行對

10、比，其自由度為16。
　　 內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)在體三維運動變化與足內(nèi)弓頂角變化相關(guān)性采用pearson相關(guān)分析。
　　 結(jié)果:
　　 1.足踝部關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量新方法的建立
　　 利用MIMICS軟件的數(shù)字化三維重建、GEOMAGIC軟件的虛擬三維空間設(shè)立等數(shù)字化技術(shù)結(jié)合剛體運動學(xué)原理，建立一種足踝部關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量新方法，通過這種方法測量了后足關(guān)節(jié)及內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)的運動變化。

11、
　　 2.后足內(nèi)部各關(guān)節(jié)在體三維運動分析
　　 2.1.后足內(nèi)部各關(guān)節(jié)在體三維運動特點
　　 足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，脛距關(guān)節(jié)背伸10.77±5.70°、外翻3.89±2.77°、外展5.29±4.47°，向足外側(cè)位移0.78±0.59mm、向后足位移0.18±0.75mm、向肢體近側(cè)位移0.65±0.71mm;距下關(guān)節(jié)跖屈6.33±4.32°、內(nèi)翻16.46±2.94°、內(nèi)收12.77±1.81

12、°，向足內(nèi)側(cè)位移5.50±1.45mm、向前足位移1.96±1.77mm、向肢體遠側(cè)位移0.43±1.18mm;距舟關(guān)節(jié)跖屈5.09±6.89°、內(nèi)翻38.82±5.98°、內(nèi)收19.71±6.33°，向足內(nèi)側(cè)位移9.77±1.73mm、向后足位移3.13±1.29mm、向肢體近側(cè)位移4.64±1.42mm。
　　 2.2.后足內(nèi)部各關(guān)節(jié)在體三維運動分析
　　 脛距關(guān)節(jié)主要繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)，距下關(guān)節(jié)和距舟關(guān)節(jié)主要繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)

13、;踝關(guān)節(jié)在冠狀軸線上的旋轉(zhuǎn)運動主要由脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)聯(lián)合完成，而踝關(guān)節(jié)在矢狀軸和垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動則主要依靠距下關(guān)節(jié)完成。
　　 3.內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)在體三維運動變化對內(nèi)側(cè)縱弓變化的影響
　　 3.1.內(nèi)側(cè)縱弓變化
　　 足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，運動終末體位內(nèi)弓頂角(111.20±5.46)與運動起始體位內(nèi)弓頂角(117.61±3.47)的角度差值（-6.41±4.60）是負(fù)值，說明足內(nèi)翻內(nèi)收背伸

14、運動時足弓高度是增加的。
　　 3.2.內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)在體三維運動變化
　　 足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，距下關(guān)節(jié)跖屈6.33±4.32°、內(nèi)翻16.46±2.94°、內(nèi)收12.77±1.81°，向足內(nèi)側(cè)位移5.50±1.45mm、向前足位移1.96±1.77mm、向肢體遠側(cè)位移0.43±1.18mm;距舟關(guān)節(jié)跖屈5.09±6.89°、內(nèi)翻38.82±5.98°、內(nèi)收19.71±6.33°，向足內(nèi)側(cè)位移9.

15、77±1.73mm、向后足位移3.13±1.29mm、向肢體近側(cè)位移4.64±1.42mm;舟楔關(guān)節(jié)跖屈5.33±6.56°、外翻2.62±3.93°、內(nèi)收1.20±3.54°，向足外側(cè)位移0.04±1.18mm、向后足位移1.65±1.59mm、向肢體遠側(cè)位移1.80±1.91mm;第1跖跗關(guān)節(jié)跖屈0.32±1.61°、內(nèi)翻1.18±2.69°、內(nèi)收0.43±2.65°，向足內(nèi)側(cè)位移0.46±1.08mm、向后足位移0.48±0.34

16、mm、向肢體遠側(cè)位移0.28±1.04mm。
　　 3.3.內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)在體三維運動變化對內(nèi)側(cè)縱弓變化的影響
　　 距舟關(guān)節(jié)在冠狀軸上向內(nèi)側(cè)位移與足內(nèi)弓頂角變化的相關(guān)性較大（相關(guān)系數(shù)r絕對值＞0.5），具有顯著性差異（P＜0.05);舟楔關(guān)節(jié)的跖屈、內(nèi)收旋轉(zhuǎn)和向足外側(cè)、向后足、向肢體遠側(cè)位移與足內(nèi)弓頂角變化的相關(guān)性較大（相關(guān)系數(shù)r絕對值＞0.5），其中舟楔關(guān)節(jié)的內(nèi)收旋轉(zhuǎn)和向外側(cè)位移具有顯著性差異（P＜0.05);距

17、下關(guān)節(jié)、第1跖跗關(guān)節(jié)在體三維運動的6個自由度變化與足內(nèi)弓頂角變化的相關(guān)性較?。ㄏ嚓P(guān)系數(shù)r絕對值＜0.5），且其對足內(nèi)弓項角變化相關(guān)性均不具有顯著性差異(P＞0.05)。
　　 結(jié)論:
　　 1.建立了全新的足踝部關(guān)節(jié)在體運動度數(shù)字化三維測量方法，該方法具有精確、非侵入性、操作簡單、具有臨床推廣價值等優(yōu)點。
　　 2.足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，踝關(guān)節(jié)在冠狀軸線上的旋轉(zhuǎn)運動主要由脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)聯(lián)合完成

18、，而踝關(guān)節(jié)在矢狀軸和垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動則主要依靠距下關(guān)節(jié)完成。
　　 3.足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，脛距關(guān)節(jié)主要繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)，距下關(guān)節(jié)和距舟關(guān)節(jié)主要繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)。
　　 4.足由中立位進行內(nèi)翻、內(nèi)收、背伸運動時，內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成關(guān)節(jié)中距舟關(guān)節(jié)和舟楔關(guān)節(jié)是導(dǎo)致足內(nèi)側(cè)縱弓變化的主要關(guān)節(jié)，距下關(guān)節(jié)和第一跖跗關(guān)節(jié)則對足內(nèi)側(cè)縱弓變化的影響相對要小。這一結(jié)果暗示在足內(nèi)側(cè)縱弓各構(gòu)成骨中足舟骨的三維空間位置變化對足內(nèi)側(cè)縱弓角度變